北斗导航系统在农业机械化中的应用与发展前景

北斗卫星导航系统是中国自主研发的卫星导航，将其应用于农业机械化，可实现我国独立的农机化作业体系。该文概述北斗卫星系统的组成，介绍其在农业机械上的应用，并对今后的发展进行展望。

加快农业科技创新，推进农业技术集成化、劳动过程机械化是我国“十二五”期间要达到的目标。为实现上述目标，除引进国外成熟的GPS(全球卫星定位系统)外，我国已形成一套自主研制的北斗卫星导航系统，实现田间作业的精确定位、自动导航，以及农业机械智能化。

1 北斗卫星导航系统简介

北斗卫星导航系统(Beidou(COMPASS)Navigation Satellite System)是中国自主研制的全球定位与通信系统，缩写为BDS，标志如图1所示。BDS与美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯、欧盟的伽利略系统兼容共同的全球卫星导航系统，并称为全球四大卫星导航系统。可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务并兼具短报文通信能力。BDS系统由空间端、地面端和用户端三部分组成。中国正在建设的BDS系统由空间段计划由35颗卫星组成，包括5颗静止轨道卫星、27颗中地球轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星。5颗静止轨道卫星定点位置为东经58°45′、80°、110°30′、140°、160°，中地球轨道卫星运行在3个轨道面上，轨道面之间为相隔120°均匀分布。提供2种服务方式，即开放服务和授权服务(属于第二代系统)。授时精度为10 ns，测速精度0.2 m/s。截至2012年10月25日，我国成功发射北斗二代的最后一颗卫星，至此，我国北斗导航工程区域组网顺利完成。

北斗卫星导航系统的工作过程如下：首先由中心控制系统向卫星I和卫星II同时发送询问信号，经卫星转发器向服务区内的用户广播。用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向2颗卫星发送响应信号，经卫星转发回中心控制系统。中心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用户的申请服务内容进行相应的数据处理。对定位申请，中心控制系统测出2个时间延迟：即从中心控制系统发出询问信号，经某一颗卫星转发到达用户，用户发出定位响应信号，经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟;和从中心控制发出询问信号，经上述同一卫星到达用户，用户发出响应信号，经另一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。由于中心控制系统和2颗卫星的位置均是已知的，因此由上面2个延迟量可以算出用户到第一颗卫星的距离，以及用户到2颗卫星距离之和，从而知道用户处于一个以第1颗卫星为球心的一个球面，和以2颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。另外中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值，又可知道用户处于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密由出站信号发送给用户。

2 DBS系统在农业机械上的应用

2.1 在无人驾驶拖拉机上的应用

无人驾驶拖拉机是由固定操作站控制的无人驾驶农业机械。装在DBS系统后，拖拉机上的摄像机把传回的画面显示在监视器上，操作人员通过观看屏幕可对远处的拖拉机进行导航，拖拉机上的车载计算机存储一幅田间的数字化地图[1]。通过DBS导航，在无人驾驶的情况下，能够沿着直线和不规则的曲线自动行驶，完成各种任务，通过自动导航可减轻驾驶员的工作强度和难度，提高作业质量，对于夜间作业更具有优越性。同时节约燃料，减少化肥用量。

2.2 在农业收割机与播种机上的应用

GPS系统在装载联合收割机与播种机这种精确的生产方式，已在欧美等发达国家使用多年，形成比较成熟的作业方法。我国现有的DBS技术完全可取代GPS。联合收割机收获农作物是利用DBS技术和产量传感器，获得农田作业区内，不同区域、不同地块的农作物产量分布，把这些数据经处理后可生成产量分图。利用农作物产量分布图，可控制收割速度、脱粒喂入量，已达到最佳的收割效果和最大的收割效率[2]。根据分布图得出数据设计出的智能软件。在农田作业时可根据按需投入的原则，进行分布投入，确保在农田作业收获时，按科学方法作业。还能确保播种机、插秧机等农机实现高精度，与设定误差达到厘米计，这样使播种机播种均匀、精良播种、深浅一致，这种精确的播种技术既可节约大量种子，又能使作物在田间获得最佳分布，从而提高作物对营养如太阳能的利用率[3]。

2.3 在农业航空上的应用

DBS在航空作业中时，通过SSM中不同区域(较小的面积单元)所需农药、肥料的用量进行变量喷洒，当飞机到达作业区域时，DBS能实现将作业区域的信息用图像传送到控制平面，达到作业位置精确定位与自动导航最终实现精确施药及喷洒精确对接。DBS与航空农业结合是农业机械化的发展和延伸，其优势是可以省时省力不误农时，可完成地面机械无法完成的项目，节约种子、农药和化肥，降低成本。

2.4 在农机管理上的应用

在农业机械上安装DBS卫星导航接收机和发射机，农机的位置信息就能在几秒内自动传到中心站，监控中心实时全天候监控所有农机的位置、行驶方向、行驶速度、发动与熄火状态，还能随时回放和记忆以前的轨迹、行程，然后通过计算机软件进行数据采样、分析可判断农机在哪个区域行程、往返的时间长，以此判定耗油量大、易磨损的区域。在这些区域建立加油站、维修站，不仅可以提高农机作业时的可靠性，还能便于配备DBS接收机的维护人员精确查找中途断油、损坏的农机。DBS系统装备农机还可以全天候、高精度地实现农机自动报警功能、锁车功能。农机可以像车辆一样执行超速报警、防盗报警，被监控所有农机超出监控中心的预设的速度报警值及超出或驶出指定的区域向监控中心响应出响应的报警。在农用飞机上，最基本的要求是确保农业飞机之间或与农作物间的安全距离。利用DBS系统的精确定位与测速优势，可实时确定农业飞机的瞬时位置，有效减小飞机间及与作物的安全距离，甚至在大雾天气情况下，可以实现自动盲降，极大地提高飞行的安全和作业质量。

3 DBS的发展前景与展望

DBS系统不仅在农机方面具有潜力，在精准农业中，用DBS生成图像，利用这些图像数据再配合精准农业，计算农田综合信息，查出土地的湿度、化学成分、排水沟位置，还能计算出最佳的种植方案及所需肥料、种子、农药的数量，还能应用在农业气象监测，提高天气预警业务水平，合理选择最佳种植时间，避免在农业上耽误农时。

卫星导航产业作为国家重要的基础信息体系，是直接关系国家安全和经济发展关键性、系统级的技术平台。在全球卫星定位系统中，美国的GPS遥遥领先、俄罗斯的格洛纳斯正在恢复建设中、欧盟的伽利略遭遇资金困境。DBS系统虽面临着竞争，但具有巨大的市场优势。不仅可直接为用户提供服务区内全天候、高性能定位、授时和通信基本服务，还可根据用户需要提供从系统级到用户端的全方位增值服务。DBS系统应用通过授权具备行业背景的系统运营商进行商业经营，逐步形成行业优势[4]。DBS系统取代GPS系统装备农业机械，是未来中国农业实现自主化、现代化的必然结果，打破GPS对中国农机导航的长期垄断，提高国家农业产量分布、农业信息的安全性与保密性，中国农业的发展将不依靠国外，如果国外对中国卫星导航技术封锁，可以自如从容地应对，在这方面具有重要的战略意义[5-6]。2020年左右，北斗卫星导航系统形成全球覆盖能力，并完成全球的定位与服务工作，将继续推动我国科技、经济的发展[。